(57)【要約】      （修正有）【課題】高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した切削工具を提供。【解決手段】超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti a ,Al b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれTi、Al、M の原子比を示し、d はN の原子比を示し、  0.02≦a ≦0.2 、  0.8 ≦b ≦0.95、  a+b+c=1   0.5 ≦d ≦1   の組成の硬質皮膜Ａと、バナジウム炭窒化物からなる硬質皮膜Ｂを、少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti a ,Al b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれTi、Al、M の原子比を示し、d はN の原子比を示し、
0.02≦a ≦0.2 、  0.8 ≦b ≦0.95、  a+b+c=1   0.5 ≦d ≦1 
の組成の硬質皮膜Ａと、バナジウム炭窒化物からなる硬質皮膜Ｂを、少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
前記バナジウム炭窒化物はVC1-e N e で、e はN の原子比で表した場合、0.5 ≦e ≦1 である請求項１記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
d の値が１である請求項１又は請求項２記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項４】
前記元素M がSi、Cr又はNiである請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項５】
前記硬質皮膜Ａの膜厚が0.5 μm 以上２μｍ以下である請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項６】
前記硬質皮膜Ｂの膜厚が0.5 μｍ以上５μm 以下である請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項７】
前記硬質皮膜Ｂがバナジウム以外の窒化物構成元素を含む硬質皮膜であって、バナジウム以外の金属成分がバナジウムに対して原子比率で10％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項８】
前記硬質皮膜の最上層に、NiO x 、DLC 、MoS 2 又はBNの潤滑機能皮膜を形成した請求項１乃至請求項７のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項９】
超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、坩堝交換機能、即ち真空雰囲気中で少なくとも２個以上のるつぼの１個を使用した後で真空状態を保持したまま他のるつぼの１個に自動的に切替えできる機能、を有する溶融蒸発型イオンプレーティング装置を用い、第１のるつぼに金属バナジウムを蒸発原料とし、溶融蒸発型イオンプレーティング法により請求項１の前記硬質皮膜Ｂを成膜する工程１と、真空状態を保持したまま第２のるつぼにアルミニウムを含む焼結体あるいは圧粉整形体を蒸発源に自動的に切替えし、同じく溶融蒸発型イオンプレーティング法により前記請求項１の前記硬質皮膜Ｂを成膜する工程２を連続的に行うことを特徴とする複合硬質皮膜被覆工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ、ドリル、タップ、エンドミル、ホブ、ブローチ等の切削工具の耐摩耗性を向上するための複合硬質皮膜被覆工具及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、TiN やTiCN、TiAlN 等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、TiとAlの複合窒化皮膜( 以下、TiAlN と記す) が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高速切削や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されてきた。前記TiAlN 皮膜は、Alを添加することによって膜の硬度が上昇し、耐摩耗性が向上することが知られているが、特許文献１には、TiAlN を(Al x , Ti1-x )Nと表現した場合のAlの組成比x が0.7 以上でZnS 型の軟質AlN が析出していることが示されている。また特許文献１には、「Al量(x) が0.75を越える場合は、硬質皮膜がAlN に近似してくる結果、皮膜の軟質化を招き、十分な硬度が得られなくなり、フランク摩耗を容易に引き起こす」ことが記述されている。更に同特許文献１の図３には、Al組成比と膜硬度の関係が示され、Al組成が 0.6を越えた付近から硬度が低下しているが、これはAl組成比x が 0.6〜0.7 の間でZnS 型のAlN が析出し始め、Alの組成比増加とともにZnS 型AlN の析出が増加して、膜硬度が低下することを示唆している。更に同特許には、耐酸化性について、Al組成比x が0.56以上で酸化開始温度が 800℃以上となり、前記x 値の増加に伴い酸化開始温度も上昇していく傾向が示されているが、硬度を考慮して規定しているAl組成比の上限：0.75においては 850℃程度である。また、特許文献２ではTiAlN にCrを添加することで岩塩構造型AlN の割合を増加させて硬度を高め、且つ耐酸化性も向上させることができると記載されているが、ここでのAl組成比の上限は 0.8にとどまっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
即ち従来の方法では、Alの組成比を増加させて硬度を高めるにも限界があるため硬度と耐酸化性を同時に高めていくことができず、結果として耐摩耗性の向上にも限界があった。しかしながら、近年では、切削工具の使用条件としてより高速化・高能率化が要求されており、この様な切削工具を実現するため、更に優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用複合硬質皮膜が求められている。そこで、発明者らは溶融蒸発型イオンプレーティング法（以下、溶解法）を用いてTiA lMN 膜について研究を重ねた結果、Alが80% を超えても硬さが低下せず、耐酸化性の良好な皮膜を得ることができた（出願人の未公開の特許文献３）。しかし、本方法では２μm 以上の膜厚を得ることが難しく、切削条件によっては切削工具として十分な性能を発揮するためにTiCNなどの下地皮膜を必要とした。
【特許文献１】特許第2644710 号
【特許文献２】特開2003-71610号公報
【特許文献３】特許出願第2003-325406 号（未公開）
【０００４】
本発明の課題は、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した切削工具及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti a ,Al b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれTi、Al、M の原子比を示し、d はN の原子比を示し、
0.02≦a ≦0.2 、  0.8 ≦b ≦0.95、  a+b+c=1   0.5 ≦d ≦1 
の組成の硬質皮膜Ａと、バナジウム炭窒化物からなる硬質皮膜Ｂを、少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具によって上記した課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
上記した本発明は、２μm 以上の膜厚を得ることが容易で、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供するものとなった。
本発明者らは、より優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用硬質皮膜の実現を目指して鋭意研究を進めた結果、１原子当たりのプラズマエネルギーを高くすることにより、Al比率が0.8 を越える被膜においても硬度が低下しないことを見出した。そして、その手段として溶解法に着目して研究を進めた結果、Al比率0.8 〜0.95の皮膜は硬度および耐酸化性が向上し、結果として耐摩耗性が飛躍的に向上することを突き止め、前記ターゲット成分比および相対密度、ならびにプラズマエネルギーの制御について更に研究を重ねた結果、上記硬質皮膜Ａに想到した。さらに発明者らはTiAlMN膜に最適な下地膜として、バナジウム炭窒化物皮膜に着目し、研究を進めた結果、初期金属バナジウムの膜厚、窒素および炭化水素ガスの分圧、基盤バイアス等を適切に設定することにより、密着性、耐摩耗性、潤滑性の上でチタン系皮膜よりも優れたバナジウム炭窒化物皮膜である前記硬質皮膜Ｂを得ることに成功した。
【０００７】
好ましくは、前記バナジウム炭窒化物はVC1-e N e で、e はN の原子比で表した場合、0.5 ≦e ≦1 であることが好ましい。また、前記元素M がSi、Cr又はNiであることが好ましい。
【０００８】
さらに好ましくは、前記硬質皮膜Ａの膜厚が0.5 μm 以上２μｍ以下であるか、又は前記硬質皮膜Ｂの膜厚が0.5 μｍ以上５μm 以下であることがより好ましい。硬質皮膜Ａの膜厚が0.5 μm 未満、硬質皮膜Ｂの膜厚が0.5 μｍ未満では切削における耐摩耗性の効果は期待できず、硬質皮膜Ａの膜厚が２μｍを越えると、硬質皮膜Ｂの膜厚が５μm を越えると、セラミック硬質膜層での微少チッピングが発生しやすくなるためこの範囲に限定した。
より好ましくは、前記硬質皮膜の前記基材と逆側に、NiO x 、DLC 、MoS 2 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することにより、より耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態の硬質皮膜被覆工具は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti a ,Al b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれTi、Al、M の原子比を示し、d はN の原子比を示し、
0.02≦a ≦0.2 、  0.8 ≦b ≦0.95、  a+b+c=1   0.5 ≦d ≦1 
の組成の硬質皮膜Ａと、バナジウム炭窒化物からなる硬質皮膜Ｂを、少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。なお、バナジウム炭窒化物はVC1-e N e （e はN の原子比）で表した場合、0.5 ≦e ≦1 であるのが望ましい。
【００１０】
本発明は、上記切削工具用硬質皮膜を形成する方法も規定するものであって、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを要旨としている。また、ホローカソード放電による電子ビームを用いてターゲットを構成する金属を蒸発およびイオン化して被処理体上に本発明で規定する皮膜を形成する溶融蒸発型イオンプレーティング法（以下溶解法と略記する）において成膜することを好ましい形態とする。尚、この場合に前記被処理体に印加するバイアス電位は、アース電位に対して-50V〜 -300Vとすることが好ましい。また、成膜時の被処理体温度（以下、基板温度ということがある）は 300℃以上で 800℃以下の範囲内とすることが望ましく、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を0.05Pa以上１Pa以下とすることが望ましい。尚、本発明における上記反応ガスとは、窒素ガス、メタンガス、エチレン、アセチレン、アンモニア、水素、またはこれら２種以上を混合させた皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスをいい、これら以外に用いられるＡｒなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスということとする。
【実施例１】
【００１１】
坩堝交換機能、即ち真空雰囲気中で少なくとも２個以上のるつぼの１個を使用した後で真空状態を保持したまま他のるつぼの１個に自動的に切替えできる機能、を有する溶融蒸発型イオンプレーティング装置を用い、グラファイトるつぼの一つに100gの金属バナジウムを入れ、別のるつぼにTi65Al35at% の混合粉末30g をφ40の円筒形金型を用いて2GPaにて成形した圧粉成型体を設置した。加熱およびクリーニングを行った後に約 0.1Paのアルゴン窒素混合雰囲気中で、HCD ガンを用いて金属バナジウムを溶融蒸発させ、約３0gを蒸発させながらC:N=3:7 となるよう段階的に炭化水素ガスを導入し、VCN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。続いてるつぼを切り替え、約 0.1Paのアルゴン窒素混合雰囲気中で、圧粉成形体上面のプラズマビーム径が10mm程度となるよう収束させたHCD ガンを用いて溶融蒸発させ、TiAlN 被膜を成膜した。この時のプラズマ出力は3000W から8000W まで毎分500Wずつ上昇させた。
同様にTi60Al35Si5at%、Ti60Al35Ni5at%、Ti60Al35Cr5at%の圧粉整形体を用いて超硬エンドミルにVCN+TiAlSiN 、VCN+TiAlNiN 、VCN+TiAlCrN 皮膜を成膜した。
同様に、グラファイトるつぼの一つに95g の金属バナジウムと5 ｇの金属チタンを入れ、別のるつぼにTi65Al35at% の圧粉成型体を設置し、VTiCN+TiAlN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。このときのVTiCN 層の金属成分はV:Ti＝93:7at% であった。
得られたエンドミルよる切削試験結果を表１に示す。
超硬エンドミルは切削長50m 時での逃げ面摩耗幅を測定した。切削諸元を次に示す。超硬エンドミルではアーク法により成膜したＴｉＡｌＮ膜と比較して同等以上の耐摩耗性を示した。
( 超硬エンドミル切削条件) 
工具：φ10超硬6 枚刃スクェアエンドミル
切削方法：側面切削ダウンカット
被削材：SKD61(硬さ53HRC)
切り込み：軸方向10mm、径方向0.2mm 
切削速度：785m/min、送り：0.07mm/ 刃
切削長：５0m、潤滑剤：無し（エアーブロー）
【００１２】
【表１】
2005177952.tif 000002
【実施例２】
【００１３】
AlN(アーク法) 、TiAlSiN(アーク法) 、VCN+TiAlCrN(圧粉体溶解法) を被覆した超硬インサートを大気中で1000℃まで加熱し、１時間保持したあと冷却した。試料表面のカロテスト法により酸化深さを測定した。結果を表２に示す。
【００１４】
【表２】
2005177952.tif 000003
【実施例３】
【００１５】
実施例１と同様な方法で、坩堝交換機能を有する溶融蒸発型イオンプレーティング装置を用い、AIP 法により、VCN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、続いてるつぼを切り替え、TiAlN 被膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、さらに最上層に、NiO x の潤滑機能皮膜を形成し、実施例１と同様な超硬エンドミルによる切削試験を行ったところ、表１のVC＋TiAlN の本発明品より、エンドミル逃げ面摩耗は約２．５％少なかった。
〔本発明の最良の実施形態の効果〕
【００１６】
上記の本発明の最良の実施形態から、本発明の硬質皮膜被覆工具は、２μm 以上の膜厚を得ることが容易で、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供するものとなった。
【００１７】
好ましくは、前記バナジウム炭窒化物はVC1-e N e で、e はN の原子比で表した場合、0.5 ≦e ≦1 であることが好ましい。また、前記元素M がSi、Cr又はNiであることが好ましい。
【００１８】
さらに好ましくは、前記硬質皮膜Ａの膜厚が0.5 μm 以上２μｍ以下であるか、又は前記硬質皮膜Ｂの膜厚が0.5 μｍ以上５μm 以下であることがより好ましい。硬質皮膜Ａの膜厚が0.5 μm 以下、硬質皮膜Ｂの膜厚が0.5 μｍ以下では切削における耐摩耗性の効果は期待できず、硬質皮膜Ａの膜厚が２μｍ以上、硬質皮膜Ｂの膜厚が５μm 以上ではセラミック硬質膜層での微少チッピングが発生しやすくなるためこの範囲に限定した。
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月8日(2004.1.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
坩堝交換機能、即ち真空雰囲気中で少なくとも２個以上のるつぼの１個を使用した後で真空状態を保持したまま他のるつぼの１個に自動的に切替えできる機能、を有する溶融蒸発型イオンプレーティング装置を用い、グラファイトるつぼの一つに100gの金属バナジウムを入れ、別のるつぼにTi65Al35at% の混合粉末30g をφ40の円筒形金型を用いて2GPaにて成形した圧粉成型体を設置した。加熱およびクリーニングを行った後に約 0.1Paのアルゴン窒素混合雰囲気中で、HCD ガンを用いて金属バナジウムを溶融蒸発させ、約３0gを蒸発させながらC:N=3:7 となるよう段階的に炭化水素ガスを導入し、VCN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。続いてるつぼを切り替え、約 0.1Paのアルゴン窒素混合雰囲気中で、圧粉成形体上面のプラズマビーム径が10mm程度となるよう収束させたHCD ガンを用いて溶融蒸発させ、TiAlN 被膜を成膜した。この時のプラズマ出力は3000W から8000W まで毎分500Wずつ上昇させた。
同様にTi60Al35Si5at%、Ti60Al35Ni5at%、Ti60Al35Cr5at%の圧粉整形体を用いて超硬エンドミルにVCN+TiAlSiN 、VCN+TiAlNiN 、VCN+TiAlCrN 皮膜を成膜した。
同様に、グラファイトるつぼの一つに95g の金属バナジウムと5 ｇの金属チタンを入れ、別のるつぼにTi65Al35at% の圧粉成型体を設置し、VTiCN+TiAlN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。このときのVTiCN 層の金属成分はV:Ti＝93:7at% であった。
得られたエンドミルよる切削試験結果を表１に示す。
超硬エンドミルは切削長50m 時での逃げ面摩耗幅を測定した。切削諸元を次に示す。超硬エンドミルではアークイオンプレーティング法（以下アーク法）により成膜したＴｉＡｌＮ膜と比較して同等以上の耐摩耗性を示した。
( 超硬エンドミル切削条件) 
工具：φ10超硬6 枚刃スクェアエンドミル
切削方法：側面切削ダウンカット
被削材：SKD61(硬さ53HRC)
切り込み：軸方向10mm、径方向0.2mm 
切削速度：785m/min、送り：0.07mm/ 刃
切削長：５0m、潤滑剤：無し（エアーブロー）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
TiAlN(アーク法) 、TiAlSiN(アーク法) 、VCN+TiAlCrN(圧粉体溶解法) を被覆した超硬インサートを大気中で1000℃まで加熱し、１時間保持したあと冷却した。試料表面のカロテスト法により酸化深さを測定した。結果を表２に示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
実施例１と同様な方法で、坩堝交換機能を有する溶融蒸発型イオンプレーティング装置を用い、溶解法により、VCN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、続いてるつぼを切り替え、TiAlN 被膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、さらに最上層に、NiO x の潤滑機能皮膜を形成し、実施例１と同様な超硬エンドミルによる切削試験を行ったところ、表１のVC＋TiAlN の本発明品より、エンドミル逃げ面摩耗は約２．５％少なかった。